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    这个发动机缺陷影响有多大

    文章出处:汽车之家    发布时间:2016年11月29日

    发动机技术是代表汽车性能的重要指标,多数选择进口与合资车型的消费者看重的正是国外先进的发动机技术。其实,奔驰宝马这些世界顶级汽车的发动机也存在一个致命缺陷,我们通过具体分析来看看它的影响有多大。

    发动机

    发动机生产动力的过程是在气缸里进行的。首先,气缸通过负压吸入混合气(含有燃油的空气)或空气,把气体压缩到燃烧室内、点燃混合气使其受热膨胀、膨胀产生的高压推动活塞向下运动为汽车提供动力。如果气缸里有个缺口,在混合气压缩和燃烧过程中,部分被压缩和燃烧膨胀的气体可以从缺口挤出、使气缸压力加速下降,降低了推动活塞的力量。

    1、汽缸里真的有个缺口?

    气缸是一个圆柱体,顶部和周围的圆柱都是密封的,底部的活塞结构依靠活塞环“密封”。活塞环是一个开口圆环,为了安装方便和防止受热膨胀,活塞环必须留一个可以延伸的缺口,作用是在热膨胀时活塞环不会因为外径增大而卡死,缺口大约有0.1-0.2毫米。为了减轻活塞环缺口引起的“漏气”,设计者使用了相应的防漏气设计。

    发动机

    (1)盲腔设计

    既然活塞环有缺口就一定会漏气,设计者采用了双环(柴油机是三环)设计来减少气体泄漏。具体做法是在活塞上安装二个活塞环,把两个活塞环的开口错开180°,两个活塞环之间的间隙被称为盲腔。虽然气体仍然可以通过上活塞环缺口——盲腔——下活塞环缺口的通道泄漏,泄漏量已经明显减低,所以现在的发动机基本都采用这个设计。发动机工作时,活塞环可以随着上下运动而转动,两个活塞环的开口可以小于180°,如果离的太近,盲腔的作用就受到影响,气体泄漏会随之增加。

    发动机

    (2)机油封闭设计

    通常认为发动机加注的机油只是为了润滑零件,教科书和厂家都这样说,即使换机油的修理工也在推销高档机油时强调机油的润滑功效。其实,机油的作用并不仅仅于此。活塞环的缺口和与活塞环槽之间的间隙都可以造成气体泄漏,设计师正是利机油的粘稠特性来封闭这些缺口和间隙。这里要引入一个流体力学概念:非牛顿流体。流体的粘稠度和流体的应力(剪切力)呈现相关性。网上有个经典视频说明非牛顿流体现象:将一个水池里加满玉米淀粉糊,如果一个人很快的跑过糊面,并不会沉下去;如果这个人站在糊面上,就会沉入糊里。设计者利用机油的粘稠性封闭活塞的缺口和间隙就是利用了非牛顿流体的原理来阻止气体泄漏。

    曾经有一些公司利用非牛顿流体原理设计出发动机添加剂(记得多年前有一种美国进口的“力驰多”)是将机油里加入非常细小的金属颗粒来增加缝隙的密封性能,进而达到节约燃油和提高动力的目的。消费者也可以利用这个原理选择粘度较高的机油(比如W30),在保证润滑功能的前提下还可以适度提高发动机的动力输出。

    2、缺口影响那些行程?

    目前广泛使用的是四缸(四冲程)发动机,就以它为例子分析活塞环缺口如何影响发动机做功的。

    发动机

    以1-3-4-2点火顺序来分析。气缸的工作顺序是“进气-压缩-做功-排气”,每个冲程推动曲轴旋转180°,四个气缸每循环一次(也就是每个气缸完成四个冲程)推动曲轴旋转720°(二圈)。从气缸内压力的角度看,缺口主要影响压缩和做功行程:圧缩行程时,当气缸内压力大于缺口外压力时,可以发生缸内气体外泄;做工行程时,气缸内压力始终高于缺口外压力,所以在整个行程中都有气体外泄。

    (1)缺口漏气的程度和时间

    圧缩行程时气缸内压力是逐步上升的,只有在压力大于气缸外压力并克服了机油的应力时混合气才会外漏。做功行程时气缸内压力始终高于气缸外压力,所以整个行程中都有气体泄漏。

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    可以通过三个层面来分析和漏气相关的冲程和时间之间的关系。

    A、漏气行程长度

    第一行显示的是每个气缸从压缩开始到结束的连续性,也就是说气体泄漏是从圧缩行程开始一直延续到做功行程结束,所以气缸内气体向外泄漏的时间是两个行程的时间总和。

    B、漏气冲程的重叠

    第二行显示的是伴随第一行气缸行程的其他气缸行程状态,比如,一缸压缩时二缸在做功,一缸做功时三缸在压缩…,由此可见同一时间段内有两个气缸同时在通过缺口漏气。

    C、漏气的连续性

    第一行和第二行的气缸行程是在持续循环过程中的,其间并没有任何中断,而是连续贯穿整个发动机工作时间。只要启动了发动机,就有两个气缸从始至终在漏气。  

    通过上述分析可以判断,活塞环缺口引起的缸内气体外泄真的很严重。

    但是,仅仅依靠上述分析就下结论为时过早,必须要通过科学方法实际进行测试后得到的结论才会更加靠谱。

    (2)测定气缸漏气方法

    2009年机械工业出版社出版的《汽车检测技术与设备》中在第二章第二节中介绍了气缸密封性检测。检测含有三项内容:气缸压缩压力检测、气缸漏气率检测和曲轴箱窜气率检测。

    前两项检测的基本条件是以气缸的圧缩行程为条件进行,没有包含做功行程的压力变化和缸内气体泄漏。在前面的分析中我们已经注意到做功行程的整个时间段缸内气体压力都远远高于气缸外压力,也就是说这个时段引起的气体泄漏才是影响发动机耗油量和输出扭矩的关键所在。

    现在多数发动机的气缸压缩末期压力大约在8-12公斤/cm?,按照压力单位换算,1公斤/cm?=98kpa,10公斤/cm?约合1000kpa(1Mpa左右);当进入做功行程时,被点燃的混合气急剧膨胀可使气缸内压力上升到100公斤以上/cm?(约合10Mpa)。书中记录的检测参数是在0.4Mpa的压力条件下检测气缸泄漏率,设定的压力参数比气缸在压缩行程的实际压力低一半左右,更无法体现做功行程时的超大压力。如果缺口面积不变,单位时间内压力越大泄漏的气体越多,所以说上述检测方法不能体现气缸的实际泄漏情况。

    看来这样的检测技术并不能真实全面地体现活塞环缺口泄漏的严重性,还会给设计人员造成一种“泄漏很有限”的假象。

    3、闭合式活塞环

    这里介绍几种闭合式活塞环。

    (1)搭接式活塞环

    目前有一种搭接式活塞环可以阻断气体向下泄漏的垂直通道。

    发动机

    这种类型的活塞环多用于柴油发动机,优点是阻断了气体泄漏的垂直通道。然而,活塞环的水平缺口仍然可以使高压气体经过活塞环内侧的间隙,再通过下方的水平缺口泄漏。搭接型活塞环通过延长泄漏通道在一定程度上降低了气体泄漏率,但是缺口并没有被完全封闭。

    (2)全闭合式活塞环

    中国专利网上有很多关于全闭合式活塞环的专利,这里以专利号为200720120873.1(申请人陈郁传)为例进行分析。

    发动机

    专利附图中显示发明人把活塞环的接口设计的更加完善,可以阻止上方的气体向下方和内测泄漏。这种设计比搭接式活塞环更为先进,完全封闭了活塞环接口处的“缺口”。来看一下这种活塞环末端结合后的情况。

    发动机

    当活塞环被安装在工作位置时,两末端完全闭合,预留的膨胀间隙向下和向内侧的通道被完全封闭,仅仅留下一条非常小(可以完全贴合)的结合间隙。使用这样的全闭合时活塞环可以最大限度的阻止发动机圧缩行程和做功行程的气缸内气体泄漏,而且基本不会受到活塞上两个活塞环缺口位置变化的影响,非常有利于提升发动机的燃油经济性和动力性。

    4、缺口造成的长期影响

    活塞环缺口导致的气缸内气体大量泄漏只是问题的开始,因为前面所写的一切都是以新发动机为前提。随着汽车里程数的增加,气缸壁和活塞环外侧面会不断地被磨损,活塞环缺口也随之在增大,泄漏的气体数量也在不断地上升。《汽车检测技术与设备》中记载的“气缸漏气率参考性诊断参数标准值”是这样规定的:

    发动机

    新车出厂时,发动机的气缸泄漏率基本处于“良好”水平;行驶了一定公里数后,气缸泄漏率可能维持在“一般”水平;随着公里数继续延长(15-20万公里以上),气缸漏气率就会变成“较差”或“差”的水平了。通常修理工会在活塞环缺口长度达到0.5mm以上时为你更换活塞环。因为气缸壁也受到磨损,即使换上新活塞环,缺口间隙也比较大,很难达到新车水平。记得有几位开宝马车的朋友在汽车行驶到20万公里左右感到动力严重下降,去4S店检修时被要求更换发动机,原因就在这里。汽车行驶过20万公里后,基本都要进行发动机大修,主要工作就是更换活塞环。

    现在大家对活塞环缺口对发动机性能的影响认识比较全面了吧。其实,事情可以不是这样。大家可以滑上去再仔细看看全闭合型活塞环的示意图。

    全闭合型活塞环除了可以基本封闭气体经过活塞环结合部的缺口泄漏外,还有一个更重要的优点是在活塞外缘被磨损时依然保持密封状态。上图中的活塞环的膨胀间隙A随着外缘磨损渐渐增大,结合间隙可以保持不变,所以,活塞环的密封性保持不变;只有磨损到膨胀间隙A和膨胀间隙C重合以后,才会产生缺口导致气体向下泄漏。如果结合部位有足够的延伸余量,一辆汽车的发动机可以在行驶50-100万公里时仍然保持新车的动力水平和燃油消耗量水平。

    很多国外或者合资汽车把发动机开盖(大修)里程长作为发动机性能好的重要标志,迎合了中国消费者“经久耐用”的心理需求。看完这篇说客后,希望中国汽车企业也能够设计出行驶50万公里、甚至100万公里不大修的发动机,而且还具备耗油量不增加和动力不下降的双重优势。



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